中國的大飛機，造出自己的“心臟”到底有多難？
?國產客機C919
撰文 | 邸利會
責編 | 陳曉雪
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5月5日，國產C919客機在上海浦東機場成功首飛，國人振奮。
從支線飛機翔鳳（ARJ21）到首飛的單通道C919，乃至中俄聯(lián)合設計的寬體飛機，客機大飛機正沿著既定的發(fā)展路線步步推進。然而，與國外相比，國產大飛機依然落后，如何縮短差距，甚至能否“彎道超車”成為疑問。
至于“心臟”，大飛機的發(fā)動機，在技術積累上，中國基本為零。
第一臺發(fā)動機何時誕生？在商業(yè)上能否具備全球競爭力？不久前，在求是西湖學會工程分會舉辦的一場討論中，基礎研究和企業(yè)界的業(yè)內頂尖專家坐在一起，試圖向公眾解答這些疑問。
?從左至右為：符松、甘曉華、陳十一、馮錦璋、楊濟剛、主持人陳越
1 一代甚至更多差距
“現在（飛機）載著幾百人飛來飛去，要說人間奇跡這就是人間奇跡了，說實話，我自己研究空氣動力學，想到這個還是很激動的，我們現在可以這樣做。” 談起C919，清華大學教授符松說，能上天已經值得驕傲。
他說，對中國的大飛機研制，實事求是還是要先解決“有和無”的問題。而要在市場上取得成功，很大程度上需要有自主知識產權。相對空客、波音的競爭機型，符松說，首飛的C919已經有一些創(chuàng)新，比如減少了5％的空氣阻力。
從整個流程來說，首飛只是第一步，之后，C919還需進行一系列試飛。在可靠性和安全性得到不斷改進和驗證后，才可最終交付使用——按照預想，應在三年之后。
最終交付的C919會達到一個怎樣的水平？今年6月加入商飛北京研究中心的楊濟剛說，如果和現在最好的空客320和波音737相比，能在一個數量級的話，“就是非常非常好，這也是一個務實的評價?！?/p>
不過，大飛機的“心臟”——發(fā)動機的制造乃至量產還很難短期實現。在首飛中，C919搭載的發(fā)動機LEAP—X，由CFM國際公司研制。
中國工程院院士甘曉華介紹說，在航空領域，飛機的設計制造一般需要15-20年，發(fā)動機要20-25年；而全世界能做飛機的企業(yè)有20-30家，能做發(fā)動機的只有3-5家。從事軍用航空發(fā)動機設計的他坦言，國內軍用航空發(fā)動機跟國外最先進水平相比落后一代（20-25年）甚至更多。
然而，“民用發(fā)動機，說實在的，一點技術也沒有。因為沒有基礎，也不好比較，恐怕也差了一代甚至更多。”
鑒于發(fā)動機的落后，2009年1月，中國航發(fā)商發(fā)（全稱“中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司”）成立，其目標很明確，制造可商業(yè)化的發(fā)動機。2016年，中國宣布在“十三五”期間，將啟動實施航空發(fā)動機和燃氣輪機重大專項，《二十一世紀經濟報道》援引某分析師的話說，估計 “直接投入在1000億元量級，加上帶動的地方、企業(yè)和社會其他投入，專項投入總金額約達3000億元”。中國自主制造商用航空發(fā)動機已是國家戰(zhàn)略。
另一方面，航空發(fā)動機市場潛力巨大。中國航發(fā)商發(fā)預測，未來20年全球將需要新交付客機3.8萬架，發(fā)動機需要量達7.4萬臺，市值1萬億美元。由于亞太地區(qū)經濟發(fā)展迅速，航空運輸（包括客戶和貨物運輸）需求旺盛，亞太地區(qū)預計將占到這1萬億的三分之一。
然而，中國薄弱的發(fā)動機研發(fā)基礎卻可能無法有效地搶占這一市場。
“長江1000和長江2000的發(fā)動機，如果按照2025年順利設計出來，和現在飛的最先進的發(fā)動機基本上相當，那從時間上講，起碼也要晚10年?！敝袊桨l(fā)商發(fā)的總經理馮錦璋說。他是專門從事民用航空發(fā)動機研制的專家。
長期從事軍用發(fā)動機研制的甘曉華對于當前民用發(fā)動機落后的歷史原因有著清楚的認識：“以前為了國防急需，又沒有錢，都是測繪仿制，完了要趕緊裝備部隊。”他認為，現在做基礎創(chuàng)新，“就需要打牢基礎，獲得關鍵技術，然后到型號研制，要一步一個腳印”。
“說一千道一萬，航空發(fā)動機的問題是基礎不牢，核心在這個地方。”他繼續(xù)說，“以前搞測繪仿制，我們是知其然，不知其所以然，現在要知其然，更要知其所以然”。
2 發(fā)動機是試出來的？
做湍流基礎研究的陳十一教授一開口就笑稱，要挑戰(zhàn)下商飛的戰(zhàn)略，中國的大飛機制造是有可能彎道超車的。他分析說，波音737或空客320均是二三十年前的設計制造，而當下新興的技術，如3D打印，AI均帶來新的可能，在跟隨、保證有飛機可用的同時，中國可以預先創(chuàng)造新的設計，進而實現領先。
這一看似“激進”的看法獲得了馮錦璋的積極回應。他認為3D打印技術首先可以縮短發(fā)動機的設計制造時間，但正是這一點上，中國和國外的差距巨大。
“目前我們國家的發(fā)動機從設計到完成起碼10年，國外也就是30-36個月，三年左右?！彼f。之所以會花費如此長的時間，原因則在于做了太多的物理試驗：“我們一臺發(fā)動機的制造，不算設計，就是造出來，也要一年多的時間；從研究的角度，要搞幾輪迭代，每一次設計達不到目標就要再重新開始?！?/p>
縮短迭代的周期和次數，革新發(fā)動機設計的理念和方法迫在眉睫。
“我們國家以前有一句非常有名的話，叫做發(fā)動機是試出來的，這句話其實挺對的，發(fā)動機需要很多的試驗驗證，但這句話背后也蘊含著另外一層，就是我們的計算設計水平不是很好。”他繼續(xù)說，“西方差不多十年十五年前就流行另外一句話，It’s better not to develop aero engines through a ‘build & bust’ process”（開發(fā)航空發(fā)動機，最好不要走“建造再摧毀”的流程）。
不同于以往的“試驗是設計迭代的一部分”，通過MASK（Modelling, Analysis, Simulation, Computing）方法，西方先進企業(yè)對航空發(fā)動機的設計更多的是一系列的數值計算和分析，并以此為基礎，進行的精細化優(yōu)化?！霸囼灪艽蟪潭壬鲜菍υO計的確認，而不是直接參與設計的迭代，這是一個巨大的差異。”馮錦璋說。
為了長江1000和長江2000的研發(fā)，馮錦璋走了不少廠子，考察制造業(yè)的現狀。支撐制造最重要的是標準和規(guī)范，而不幸的是，國內的不少標準規(guī)范，有些是抄過來的或者是實際工作的積累；而與之形成鮮明對比的是西方的標準規(guī)范，精細化要求的背后都有強大的分析和計算作為依據。
“我們航空發(fā)動機的鑄造，基本上沒有核心技術。我們做幾個沒有一個是合格的，最后只能是不合格的里面挑一個。”馮錦璋說。而鍛造作為經常用的成型手段，很大程度也還是靠經驗。
從基本的焊接技術，到燃燒室，到風扇，葉片，機械系統(tǒng)，渦輪，馮錦璋詳細地展示了長江1000和長江2000研發(fā)中的典型問題，核心想法只有一個，以計算分析為主的設計工作必須是自主研發(fā)發(fā)動機的主要方向。
馮錦璋介紹，隨著飛行器越來越復雜，如果按照傳統(tǒng)模式，試驗小時數會越來越高，到2030年，將達到100萬小時；而如果采用分析計算方法，可以減少2個數量級，到10萬小時。
充分運用計算能力，不僅能縮短時間，在AI時代，還能借助計算機的“想象力”（Intuitive AI）革新設計。“我們現在大部分工程設計的優(yōu)化都是連續(xù)的，我們有時候想象不出來這個形狀是怎樣的；什么是拓撲優(yōu)化？我們可以設定要滿足的條件，用人工智能，讓計算機不受任何約束的去想?！瘪T錦璋說，這將在近期和中期對飛機的設計產生革命性的影響。
3 文化挑戰(zhàn)絲毫不亞于技術挑戰(zhàn)
作為商用發(fā)動機，是否成功必須經受市場檢驗，絕非能造出一兩臺那么簡單——需要幾千臺都保持高的質量。如何做到這一點？馮錦璋給的答案初聽有幾分意外。
“我感受比較深刻的一點是，我們面對的文化挑戰(zhàn)絲毫不亞于技術挑戰(zhàn)?！彼f。
在某工廠考察的過程中，一個故事給他留下了深刻印象。
這個工廠進口了一臺大型的鍛造機，德國公司過來安裝后，這臺機器運轉了三年還是性能良好。今年，這家工廠自己安裝，結果六個月就機器壞了?！盀槭裁矗空f起來就像是從網上讀到的故事一樣，特別有趣。他們給我舉了一個例子，說明書寫的清清楚楚，螺栓螺帽要擰三圈倒半圈，我們都是瞎搞，不就是三圈么？他們就隨便弄，連個記錄都沒有?！?馮錦璋說。
類似的事情不僅發(fā)生在產業(yè)工人身上，甚至連來應聘的博士后也是“差不多先生”。曾經，馮錦璋在面試中問一名博士后，“其中的一個阻尼系數為什么是0.55？”這名博士后的回答是：老師這樣說的。
“獨立思考的精神，打破沙鍋問到底的精神，把事情做到極致的精神急劇缺乏?！?馮錦璋說，這樣的態(tài)度絕無成功的可能。
馮錦璋認為的第二個挑戰(zhàn)是團隊精神的缺失。
“很多人往往把問題，好的工具，數據藏在手里，不愿意跟別人分享，不僅是組織之間，大學之間，甚至小組和另外的小組，小組里面的一個人和另外一個人”。他說，所有這些都對高端設備制造有很大的影響，要突破的不僅僅是技術。
4 缺少來往的企業(yè)界和高校
作為南方科技大學校長，陳十一對馮博士的“文化論”表示贊同。他進一步說，檢驗大學的成功與否，不是排名，也不應該只看論文，核心要看是否產生了好的人才，技術和文化。
不過，作為大學教授的他，還認為企業(yè)缺少與高校合作也限制了產業(yè)的創(chuàng)新：
“企業(yè)拿了國家的大項目，攬在手里，相信自己而不相信教授，這樣就越培養(yǎng)不了大學教授，越培養(yǎng)不了老師，那就進入了負反饋?！?/p>
在陳十一的印象中，美國的Los Alamos實驗室（世界上科學與技術最大的幾個中心之一，二戰(zhàn)時期作為曼哈頓工程的一部分，負責設計核武器，現在在多個領域進行多學科的研究）每年的夏天都會邀請加州大學的很多教授來，這促進了大學教授對該實驗室的了解，有利于問題的解決。他說，企業(yè)應該把核心攻關的問題交給大學去解決。
“我覺得像發(fā)動機這樣的問題，現在政府已經意識到了，不僅僅是某一家企業(yè)，某一家型號公司的事情，而是代表了國家重大的，必須一起攻關的問題?！彼麖娬{，“我們應該思考大學和企業(yè)合作的新模式”。
一樣做基礎研究的符松也注意到了類似的問題。他介紹，清華和美國的GE發(fā)動機公司成立了聯(lián)合研究中心，而對于發(fā)動機這樣技術推動的領域，國外不僅高校，公司也在開展很多的基礎研究。此外，讓他感受頗深的另外一點是，國外的大學和企業(yè)擁有緊密的合作關系：
“我每一次參加美國的學術會議或者發(fā)動機的會之類的，發(fā)現人家大學的，研究所的，企業(yè)的全在一起參加，一起討論。我覺得我們國家沒有這樣的文化，我們高校和企業(yè)界好像沒有什么來往?！?/p>
何時造出國產發(fā)動機，未來的商業(yè)化之路是歧路還是坦途尚未可知。不過，幾位從事湍流研究的教授，和企業(yè)做大飛機設計的專家坐在一起，暢所欲言，也許已經預示了一個好的開始。
太鞭策了！中國大飛機是已加速起飛，但必須全力以赴做到極致！博士后回答，阻尼系數0.55是老師說的。。說明書寫的清清楚楚，螺栓螺帽要擰三圈倒半圈，我們都是瞎搞，不就是三圈么？他們就隨便弄，連個記錄都沒有。獨立思考的精神，打破沙鍋問到底的精神，把事情做到極致的精神急劇缺乏。 馮錦璋說，這樣的態(tài)度絕無成功的可能。馮錦璋在面試中問一名博士后，其中的一個阻尼系數為什么是0.55？這名博士后的回答是：老師這樣說的。